CN111025437B - 一种菲涅耳透镜阵列、导光聚能系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列、导光系统及其制备方法,菲涅耳透镜阵列包括超白玻璃面板,以及通过紫外纳米压印在所述超白玻璃面板背面的方形菲涅尔透镜和圆形菲涅尔透镜阵列。导光系统包括菲涅耳透镜阵列以及与所述菲涅耳透镜阵列相对设置的焦面板。采用菲涅尔透镜阵列取代传统的由多个单透镜组合安装的方式,有利于光纤式阳光导入系统的一体化。系统在安装时只用确定菲涅尔透镜阵列面板和其焦面板的位置即可确保透镜组聚光焦点都能被光纤耦合。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能开发与利用技术领域,具体涉及一种导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列、导光系统及其制备方法。
背景技术
利用光纤灵活将室外阳光导入室内的照明系统,其核心部件之一为集光模块。集光器需要将阳光进行压缩、聚焦供后续光纤耦合用。集光器种类繁多,按照集光器的集光原理,可以分为反射集光器、折射集光器、混合集光器、荧光集光器、热光伏集光器和全息集光器等。反射集光器利用反射原理收集阳光,包括平面镜式集光器、抛物面镜式集光器、抛物槽式集光器以及旋转抛物面型集光器等几种类型;折射集光器利用折射原理收集阳光,包括凸透镜集光器、菲涅尔透镜集光器等。综合考虑机构复杂程度、易工程化、成本等等一系列因素,直射式的菲涅尔透镜方案是光纤照明系统合适的选择。
菲涅尔透镜凭借其优越的性能,应用在太阳光导光系统中是个较理想的选择:菲涅尔透镜与传统非球面平凸透镜具有相同的功能,但菲涅尔透镜口径可以更大,密度小,厚度薄,重量轻;菲涅尔透镜透过率高,在太阳光谱范围内的透过率能达92%以上,与光学玻璃相差无几;菲涅尔透镜作为非成像光学元件有好于传统成像光学的光强度增益,也即也较大的会聚比;成本低、加工方便,可批量生产。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题,提供一种导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列、导光系统及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
第一方面,本发明提供一种菲涅耳透镜阵列,包括:
超白玻璃面板,以及
通过紫外纳米压印在所述超白玻璃面板背面的方形菲涅尔透镜和圆形菲涅尔透镜阵列。
优选的,所述方形菲涅尔透镜设置在所述超白玻璃面板背面的一侧,所述圆形菲涅尔透镜阵列设置在所述超白玻璃面板背面的另外一侧。
优选的,所述圆形菲涅尔透镜阵列(3)包括呈6行9列排列的多个圆形菲涅尔透镜。
优选的,圆形菲涅尔透镜的曲率半径R=100mm,最外环半径60mm,螺距为50μm,其中最内环带的锯齿深度为3μm,最外环带的锯齿深度为23μm。
优选的,方形菲涅尔透镜螺距取50μm。
第二方面,本发明提供一种导光聚能系统,包括上述的菲涅耳透镜阵列,以及与所述菲涅耳透镜阵列相对设置的焦面板;
根据所述方形菲涅尔透镜以及所述圆形菲涅尔透镜的聚光位置,所述焦面板上设置有太阳能电池片和光导纤维,所述太阳能电池片设置在所述方形菲涅尔透镜的聚光位置上,所述光导纤维设置在所述圆形菲涅尔透镜的聚光位置上。
优选的,所述太阳能电池片与所述焦面板之间还设有散热基座。
优选的,该系统还包括一外壳,所述菲涅耳透镜阵列和所述焦面板分别安装所述外壳的相对的两个侧壁上。
第三方面,本发明还提供一种菲涅耳透镜阵列的制备方法,包括以下步骤,
1)通过光刻、精密切削技术制作出具有纳米图形结构的模板;
2)在超白玻璃板内表面涂一层具有低表面能,低粘度的紫外固化胶,作为模板与玻璃板的中间介质;
3)当紫外固化胶具有合适的流动性时,模板与玻璃板表面的紫外固化胶物理接触并使其充满模板的微细凹凸结构,即模压;
4)通过紫外光照射和固化紫外固化胶,即曝光;
5)脱模后依次将圆形非涅尔透镜阵列和方形菲涅尔透镜压制在超白玻璃板上。
本发明的有益效果是:采用菲涅尔透镜阵列取代传统的由多个单透镜组合安装的方式,有利于光纤式阳光导入系统的一体化。系统在安装时只用确定菲涅尔透镜阵列面板和其焦面板的位置即可确保透镜组聚光焦点都能被光纤耦合。这种透镜的一体化设计,易于菲涅尔透镜阵列面板和其焦面板结合形成一个相对密闭的腔体,光纤端面等精密部件处于腔体内,大大提高了设备在室外运行的长期可靠性。
通过紫外纳米压印在超白玻璃面板上制成的菲涅尔透镜,在设计上具有极高的灵活性。集导光照明、光伏聚能用多功能菲涅尔透镜阵列,在汇聚太阳光进行光纤传导照明用外也收集光用以提供光伏电池提供设备必要的电能。
附图说明
图1为本发明的用于导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列示意图;
图2为本发明的导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列圆形菲涅尔透镜光纤耦合示意图;
图3为本发明的导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列方形菲涅尔透镜聚光同高倍太阳能电池发电光路图;
图4为本发明的导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列单个菲涅尔透镜螺纹示意图;
图5为本发明的导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列单个菲涅尔透镜环带数与锯齿深度的关系曲线图;
图6为本发明的导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列对应的焦面板聚焦光示意图;
图7为本发明的导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列单个菲涅尔透镜紫外纳米压印制作菲涅尔透镜阵列的流程图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、超白玻璃面板,2、方形菲涅尔透镜,3、圆形菲涅尔透镜阵列,4、焦面板,5、太阳能电池片,6、光导纤维,7、散热基座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供一种导光、聚能二合一的菲涅耳透镜阵列,如图1所示,圆形非涅尔透镜阵列和方形菲涅尔透镜通过紫外纳米压印在超白玻璃面板背面。单个圆形菲涅尔透镜为120mm,呈6行9列分布在玻璃面板上。方形菲涅尔透镜尺寸为720mm×360mm。面板四周留有宽度为20mm的安装边沿,玻璃面板的尺寸为1480mm×760mm。在此规格下,耦合进光纤用以照明的总光通面积可达0.61平方米以上,为室内足够的照度提供了保障,同时有约0.26平方米用以提供光电转换作用。
圆形菲涅尔透镜由一圈圈的锯齿形台阶环圈组成,用来聚焦成一个尺寸小的光斑,由于太阳光的光谱宽,设置好合适的透镜焦距即为导光光纤离透镜的距离,能使透镜与光纤的耦合具备光谱选通的作用。上述光谱选通使得太阳直射光当中的可见光全部耦合进入导光光纤而有害的紫外线和带来大量热能的红外线耦合不进光纤从而被耦合过程剔除掉,如图2所示。图3所示,方形菲涅尔透镜由条形的锯齿台阶并排构成,其将平行入射光汇聚成一个条形的光带,光带的长度等于由锯齿条形长度,宽度由锯齿数量和分布决定,所使用的高倍太阳能电池板的尺寸稍大于这个条形的光带即可保证高效率的光电转换效益。高倍太阳能电池板放置于散热基片上。圆形菲涅尔透镜阵列均匀分布在超白玻璃基板的右边,基板左边为方形菲涅尔透镜,设计时让两种用途的透镜焦距相同,则它们将光汇聚的相对位置是固定的。在焦面板上,条形光带汇聚光的位置放置高倍太阳能电池板,对应于圆形菲涅尔透镜阵列的光斑均匀分布的焦面板上,光斑位置处放置导光光纤端头。
对于菲涅尔透而言,主要的参数为锯齿数量、锯齿深度和螺距。圆形菲涅尔透镜的曲率半径R=100mm,最外环半径60mm,螺距为50μm,因此整个环带数为2400。最内环带的锯齿深度为3μm,最外环带的锯齿深度为23μm,图5所示。其环带数与锯齿深度的关系曲线如图6所示。方形菲涅尔透镜螺距取50μm,透镜长度为720mm,宽度取为360mm,则条形数为7200个。
用光纤传导太阳光时,需要将太阳光通过透镜进行汇聚且汇聚光的汇聚角要在光纤的数值孔径所允许的范围内。这就要求单块透镜的尺寸规格不能过大,导光系统需要多块透镜用以汇聚阳光并将光耦合进入光纤。因光纤传导式阳光照明系统需透镜光轴时刻对准太阳光线,所以透镜和光纤的组合在两者相对位置固定的情况下又得作为一个整体实施对准太阳动作。在上述情况下,如果采用多组普通的玻璃透镜,系统得保证每组极小的安装误差来确保每组的光轴一致。普通的玻璃透镜组合的方式对系统的机械机构提出了严格的要求同时对系统的长期可靠性构成的巨大的挑战。将透镜制作在一块透镜板上保证多个透镜光轴一致与固定,同时将用以接收聚焦光斑的光纤孔位分布设置在对应的焦面板上,系统的机械结构只用设置透镜板和焦面板的位置就可以确保多个透镜的聚焦光斑始终落在接收光纤的端面上。
光纤式阳光导入设备由于需要时刻追踪太阳的位置,设备需要用电能做俯仰和方位的两轴运动,同时为了让设备在阳光照度不强和夜晚提供照明,设备不用市电需设置一光伏发电提供设备储能。常规的太阳能电池板效率低下,提供足够的电能转换需要太阳能电池板足够大,高倍太阳能电池板则可提供极高的光电转换效率。将线性菲涅尔透镜聚焦的带状汇聚光照射在高倍太阳能电池板上,并将线性菲涅尔透镜随设备一起时刻对准这太阳,使得尺寸规格小的高倍太阳能电池板提供较高的转换电能。
紫外纳米压印制作菲涅尔透镜阵列的流程为:①通过光刻、精密切削等技术制作出具有纳米图形结构的模板;②在超白玻璃板内表面涂一层具有低表面能,低粘度的紫外固化胶,作为模板与玻璃板的中间介质;③当紫外固化胶具有合适的流动性时,模板与玻璃板表面的紫外固化胶物理接触并使其充满模板的微细凹凸结构,即模压;④通过紫外光照射和固化紫外固化胶,即曝光;⑤脱模后模板的图形就被转移到超白玻璃板上,完成整个制作过程,流程如图7所示。通过上述方式,依次将圆形非涅尔透镜阵列和方形菲涅尔透镜压制在超白玻璃板上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种导光聚能系统,其特征在于,包括菲涅耳透镜阵列,以及与所述菲涅耳透镜阵列相对设置的焦面板(4);
所述菲涅耳透镜阵列,包括:超白玻璃面板(1),以及通过紫外纳米压印在所述超白玻璃面板(1)背面的方形菲涅尔透镜(2)和圆形菲涅尔透镜阵列(3);
根据所述方形菲涅尔透镜(2)以及所述圆形菲涅尔透镜的聚光位置,所述焦面板(4)上设置有太阳能电池片(5)和光导纤维(6),所述太阳能电池片(5)设置在所述方形菲涅尔透镜(2)的聚光位置上,所述太阳能电池片(5)用于为导光聚能系统供电,所述光导纤维(6)设置在所述圆形菲涅尔透镜的聚光位置上。
2.根据权利要求1所述的导光聚能系统,其特征在于,所述方形菲涅尔透镜(2)设置在所述超白玻璃面板(1)背面的一侧,所述圆形菲涅尔透镜阵列(3)设置在所述超白玻璃面板(1)背面的另外一侧。
3.根据权利要求1所述的导光聚能系统,其特征在于,所述圆形菲涅尔透镜阵列(3)包括呈6行9列排列的多个圆形菲涅尔透镜。
4.根据权利要求3所述的导光聚能系统,其特征在于,圆形菲涅尔透镜的曲率半径R=100mm,最外环半径60mm,螺距为50μm,其中最内环带的锯齿深度为3μm,最外环带的锯齿深度为23μm。
5.根据权利要求1所述的导光聚能系统,其特征在于,方形菲涅尔透镜螺距取50μm。
6.根据权利要求1所述的导光聚能系统,其特征在于,所述太阳能电池片(5)与所述焦面板(4)之间还设有散热基座(7)。
7.根据权利要求6所述的导光聚能系统,其特征在于,还包括外壳,所述菲涅耳透镜阵列和所述焦面板分别安装所述外壳的相对的两个侧壁上。
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113834439B (zh) * | 2021-09-15 | 2023-10-17 | 清华大学深圳国际研究生院 | 菲涅尔光栅微透镜阵列、光谱仪及光谱共焦面型测量系统 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02144801A (ja) * | 1988-11-25 | 1990-06-04 | Stanley Electric Co Ltd | 車両用信号灯具 |
CN102155358A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-08-17 | 张文迅 | 聚光自动追日最大功率点跟踪风光互补发电站 |
CN102280511A (zh) * | 2011-08-23 | 2011-12-14 | 北京工业大学 | 一种密集阵列式聚光太阳能光伏装置 |
CN102508324A (zh) * | 2011-12-30 | 2012-06-20 | 北京工业大学 | 一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法及其装置 |
TW201227991A (en) * | 2010-12-31 | 2012-07-01 | Univ China Sci & Tech | Optical lens manufacturing method of a Fresnel lens with enhanced solar panels generating power |
CN202585488U (zh) * | 2012-04-09 | 2012-12-05 | 河南思可达光伏材料股份有限公司 | 具有线形菲涅尔透镜花型的聚光光伏玻璃 |
CN103062702A (zh) * | 2012-12-19 | 2013-04-24 | 徐子玉 | 聚光节能光纤照明装置 |
CN110388758A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-10-29 | 江苏大学 | 一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统 |
CN211698257U (zh) * | 2019-12-31 | 2020-10-16 | 武汉华中天勤防务技术有限公司 | 一种菲涅耳透镜阵列、导光聚能系统 |
-
2019
- 2019-12-31 CN CN201911414233.5A patent/CN111025437B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02144801A (ja) * | 1988-11-25 | 1990-06-04 | Stanley Electric Co Ltd | 車両用信号灯具 |
CN102155358A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-08-17 | 张文迅 | 聚光自动追日最大功率点跟踪风光互补发电站 |
TW201227991A (en) * | 2010-12-31 | 2012-07-01 | Univ China Sci & Tech | Optical lens manufacturing method of a Fresnel lens with enhanced solar panels generating power |
CN102280511A (zh) * | 2011-08-23 | 2011-12-14 | 北京工业大学 | 一种密集阵列式聚光太阳能光伏装置 |
CN102508324A (zh) * | 2011-12-30 | 2012-06-20 | 北京工业大学 | 一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法及其装置 |
CN202585488U (zh) * | 2012-04-09 | 2012-12-05 | 河南思可达光伏材料股份有限公司 | 具有线形菲涅尔透镜花型的聚光光伏玻璃 |
CN103062702A (zh) * | 2012-12-19 | 2013-04-24 | 徐子玉 | 聚光节能光纤照明装置 |
CN110388758A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-10-29 | 江苏大学 | 一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统 |
CN211698257U (zh) * | 2019-12-31 | 2020-10-16 | 武汉华中天勤防务技术有限公司 | 一种菲涅耳透镜阵列、导光聚能系统 |
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